超声波焊接制备铝基智能复合材料技术研究

论文摘要

金属基智能复合材料具有自我感知、自我诊断和自我管理能力,相比聚合物基智能复合材料,具有更高强度,适合在高温、腐蚀性及恶劣环境中使用,可满足更高安全需要等优点。本文使用超声波金属焊接快速成型方法埋入光纤布拉格光栅（FBG）传感器至6061铝基体中来制造金属基智能复合材料。对超声波金属焊接、光纤传感器埋入6061铝基体进行了理论分析和有限元仿真,并对FBG传感器埋入铝基体的组织性能和传感性能实验结果进行了可行性研究。首先,FBG传感器可埋入金属基体的两个关键机制为超声波金属焊接的表面效应和体积效应。表面效应描述的是相互接触界面的摩擦；而体积效应发生在整个金属成形过程中,对金属基体内应力和塑性变形有较显著影响。基于这两个关键机制建立了材料模型和摩擦模型,并依托所建立的计算分析模型实现了超声波金属焊接的热-机耦合有限元分析,结果表明在铝箔片/超声焊极界面处铝合金具有最高温度和最大塑性变形,且最高温度低于熔点温度,在焊接压力为175MPa、超声振幅为8.4μm、焊接时间为60ms的情况下,最高温度为357.466℃,随着焊接压力持续增加会出现粘焊现象。在此基础上进行了光纤传感器埋入铝基体的有限元分析,表明FBG传感器可埋入铝基体而不至破坏失效。其次,论文通过实验方法优化了光纤传感器埋入铝基体的焊接参数,优化参数为：超声振幅35gm、焊接时间230ms、焊接气压0.5MPa、超声焊极选用15×15mm的正方形沙磨面。进一步加深了对超声波金属焊接的理解：超声波金属焊接后,基体材料的硬度得到了提高,特别在光纤周围；焊件连接强度随超声能量和超声时间的增大而线性增大最后趋于稳定；焊接后基体材料的晶粒尺寸几乎不变,但晶粒取向发生了变化,使组织各向同性增强。最后,论文考虑到FBG传感器埋入金属基体中极易破坏失效,因此首先对FBG传感器进行了金属化保护,并使用优化的焊接参数成功埋入了FBG传感器。获得了具备较好温度传感性能的金属基智能复合材料,说明超声波金属焊接制备金属基智能复合材料是切实可行的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 快速制造技术
• 1.1.1 选择性激光烧结
• 1.1.2 直接金属激光烧结
• 1.1.3 三维印刷成型
• 1.1.4 电子束熔化成形
• 1.1.5 叠层实体制造
• 1.1.6 激光工程化净成形技术
• 1.1.7 形状沉积制造
• 1.1.8 超声波固结
• 1.2 国内外超声波金属焊接研究概述
• 1.2.1 国内研究现状
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.3 本文研究背景及意义
• 1.4 课题来源及研究内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 本文主要研究内容
• 第2章 超声激励对6061铝合金压缩性能的影响
• 2.1 概述
• 2.2 单轴应力下材料模型的建立
• 2.2.1 二维主应力下屈服函数
• 2.2.2 各向同向硬化
• 2.2.3 随动硬化
• 2.2.4 混合硬化
• 2.3 压缩性能测试有限元模型
• 2.3.1 二维有限元几何模型
• 2.3.2 有限元模型中相互作用属性（接触性质）
• 2.4 有限元仿真结果
• 2.4.1 超声激励对流变应力的影响
• 2.4.2 超声激励对界面摩擦力的影响
• 2.4.3 不同超声振幅下的应力-应变关系
• 2.5 本章小结
• 第3章 6061铝合金超声波焊接理论分析和有限元仿真
• 3.1 概述
• 3.2 材料模型
• 3.2.1 理论模型的建立
• 3.2.2 材料参数的确立
• 3.3 摩擦模型
• 3.3.1 理论模型及参数的建立
• 3.3.2 建立摩擦模型子程序
• 3.4 超声波焊接模型和边界条件的建立
• 3.5 有限元仿真结果
• 3.5.1 超声波焊接下铝合金塑性变形
• 3.5.2 超声波焊接下的界面温度场分布
• 3.6 本章小结
• 第4章 超声波焊接下光纤埋入金属基体的热-机耦合有限元分析
• 4.1 概述
• 4.2 热-机耦合有限元模型
• 4.2.1 有限元模型
• 4.2.2 热-机耦合有限元模型的相互作用属性（接触性质）
• 4.3 有限元仿真结果
• 4.3.1 超声波焊接下温度场分布
• 4.3.2 超声波焊接下应力场分布
• 4.3.3 超声波焊接下塑性变形
• 4.4 本章小结
• 第5章 6061铝合金超声波焊接及光纤埋入铝基体的组织性能分析
• 5.1 概述
• 5.2 实验材料和方法
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 实验设备
• 5.2.3 6061铝合金超声波焊接
• 5.2.4 光纤埋入6061铝基体
• 5.2.5 显微硬度分析
• 5.2.6 撕裂力测试
• 5.2.7 拉伸剪切测试
• 5.2.8 微观组织观察
• 5.3 实验结果分析
• 5.3.1 显微维氏硬度结果分析
• 5.3.2 撕裂力测试结果分析
• 5.3.3 拉伸剪切测试结果分析
• 5.3.4 微观组织分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 超声波焊接下光纤传感器埋入6061铝基体的传感性能分析
• 6.1 概述
• 6.2 光纤Bragg光栅金属化保护
• 6.2.1 光纤光栅化学镀镍
• 6.2.2 光纤光栅电镀镍
• 6.3 超声波焊接下FBG传感器埋入铝基体
• 6.3.1 FBG传感器埋入铝基体试验过程
• 6.3.2 光纤光栅埋入铝基体温度传感性能分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 本文创新点
• 7.2 结论
• 7.3 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 子程序
• 攻读学位期间的研究成果